1.1.6. Колообіги та циркуляції природних вод
Газово-рідинні оболонки планет — найбільш рухомі їх частини. В полях гравітації вони набувають шаруватої будови, і мають певні вертикальні обмеження. Це приводить до відносної замкненості, збалансованості різноманітних рухів, які прийнято схематично, абстраговано відображати як колообіги, циркуляції та ін. Їх також називають основними видами динаміки відповідних оболонках. Слід зауважити, що до поняття динаміки включають не тільки механічні рухи, але і фазові переходи, а також перенесення, міграції хімічних речовин та циркуляції гідросфери Землі.
Колообіги води включають її випаровування, переміщення в атмосфері, утворення опадів та стікання за нахилами суходолу. Увага до їх досліджень пов’язана з глобальністю процесів, їх впливом на режим (і саме існування) водних об’єктів суходолу і на формування водних ресурсів. У значно спрощеному вигляді говорять про малий, великий та внутрішній колообіги води, Кількісна їх характеристика з достатньою точністю встановлена лише у середині 70-х років XX століття. Її відображають у вигляді водного балансу.
Таблиця 1.2
Середньорічний водний баланс Землі [12]
Крім схеми загальних обігів природних вод існує уявлення про багаторазове випаровування та додаткове формування опадів над суходолом. Такий процес названо внутрішньоматериковим вологообігом. Таким чином опади можуть мати двояке походження і умовно складатися з двох частин: “зовнішньої” (адвективної, принесеної) та “внутрішньої” (місцевої). Розглянемо схему вологообігу над певною ділянкою територій. Тут А — адвекція вологи повітряними потоками, С — винесення вологи (атмосферний стік), Х — опади, ХА — опади адвективного походження, Хz — опади місцевого походження, z — випаровування, у — поверхневий стік, — підземний стік. Можемо записати такі рівняння водного балансу:
(1.1.),
(1.2), (1.3)
Ці та інші рівняння використовують для оцінок різних складових вологообігу. Такі дослідження ведуться переважно кліматологами та метеорологами. Важливим показником вологообігу є його коефіцієнт:
(1.4)
Він показує ступінь збільшення опадів за рахунок місцевих і, відповідно, можливості додаткового зволоження (“самозволоження”) суходолу. Він залежить від розмірів територій, насиченості повітря вологою, випаровування з даної території та швидкості руху атмосферного повітря над нею (мається на увазі поступальний, транзитний рух). Враховуючи це О.А. Дроздов дав наступний вираз для коефіцієнту вологообігу:
(1.5)
де Z — випаровування, L — лінійний розмір території поздовж основних траєкторій руху потоків атмосферного повітря, що переносять вологу, u — середня швидкість їх руху, а — середній вміст вологи у повітрі на початковій, навітреній стороні ділянки. Наведемо приклади оцінок, отриманих для окремих частин світу: Європа — 1,42; Азія — 1,62; Африка — 1,42; Північна Америка — 1,54; Південна Америка — 1,68; Австралія — 1,14.
Циркуляції вод відбуваються без змін їх фазового стану. Це відносно замкнені системи механічних рухів, які виникають під дією певних сил та потоків енергії та добового обертання Землі. В атмосфері відбуваються власні термогідродинамічні процеси, що приводять до виникнення системи механічних рухів. На відміну від атмосфери циркуляції вод значною мірою пов’язані з зовнішніми механічними впливами. У першу чергу це стосується загальної циркуляції вод Світового океану (див. 1.2.18). Найбільш вагомим фактором тут виступає поле приземних вітрів. Певні частини циркуляцій пов’язані з опусканням приповерхневих шарів внаслідок порушення вертикальної стійкості вод. При цьому можуть утворюватись навіть придонні течії.
Динаміку хімічних речовин та елементів відображають через поняття циклів, тобто відносно замкнених ланцюгів міграцій та перетворень.